廖 陽,曹紅霞,劉 星,薛文凱
(西北農林科技大學水利與建筑工程學院旱區農業水土工程教育部重點實驗室,陜西 楊凌 712100)
陜北山地蘋果產區具有海拔高、土層厚、通風好、光照時間長、晝夜溫差大等自然條件優勢,是世界上最大的蘋果產區[1]。然而該地區降雨少而不均,土壤水分蒸發大,加之蘋果樹強烈的蒸騰耗水作用,導致蘋果園水分的供需矛盾十分突出,嚴重影響到果實的產量和品質[2]。因此,水資源短缺嚴重限制了陜北山地蘋果產業的可持續發展。
作為一種地面管理措施,地面覆蓋在干旱與半干旱區得到了廣泛的應用[3-5]。果園中土壤蒸發和作物蒸騰消耗了大量的水分,相對于傳統的裸地清耕種植模式,地面覆蓋可以通過減少地表暴露和土壤擾動以減少土壤表面與大氣之間的水汽交換,有效地減少土壤蒸發,因此更多的水分可以被作物根系吸收,用于作物蒸騰。土壤溫度是影響作物生長的一個關鍵環境因子,它通過調節根區的水分和養分吸收來影響作物的生長。已有研究表明,地面覆蓋能有效調節土壤溫度,不同的覆蓋材料對溫度的影響不同,這取決于覆蓋材料的性質[6-7]。據報道,地膜覆蓋可以通過吸收更多的太陽輻射、減少熱損失來提高土壤溫度[8-9],而有機覆蓋,如秸稈、木屑,可以通過截取入射的太陽輻射、減少熱交換來有效降低土壤溫度[10-11]。此外,地面覆蓋還可以提高土壤肥力[12],調節降雨入滲[13],影響作物生長和生理狀況[4,14-15]。
在干旱與半干旱地區,常用虧缺灌溉來緩解缺水與農業生產的矛盾。研究表明,作物對缺水具有一定的適應性,適度缺水可能不會顯著降低作物產量[16]。為了評價果樹生長對虧缺灌溉的響應,學者們針對不同果樹做了大量的研究,如蘋果[17]、杏[18]、橙子[19]、葡萄[20]和梨棗[21]。研究發現,輕度的水分虧缺通過平衡營養生長與生殖生長,抑制了果樹的過度生長,因此不會影響作物的正常生長與產量[22]。近些年,對地面覆蓋與虧缺灌溉均有大量的研究,但將兩者結合起來應用于果樹尤其是蘋果上的研究較少。因此,本研究的主要目的是研究地面覆蓋與虧缺灌溉對山地蘋果園蘋果生長、土壤理化性質、產量、WUE的影響,為陜北山地蘋果園的地面和灌溉管理提供理論依據與技術支持。
試驗于2018—2019年在陜西省榆林市子洲縣清水溝現代農業專業合作社(110°1′22″E,37°16′12″N)進行。該區屬溫帶半干旱氣候,年平均無霜期170 d,年日照時數2 543.3 h,多年平均降水量428.1 mm,年均蒸發量2 290 mm。2019年生育期內平均氣溫為20.8℃,高于2018年生育期內平均氣溫(19.9℃)。2018年氣溫變化極不穩定,尤其是萌芽開花期與果實成熟期,2018年4月6日、7日發生了極為嚴重的凍害,氣溫急劇降低,最低溫度達到了-5.5℃。2018、2019年有效降雨次數分別為30、22次(表1),有效降雨量分別為486.8、452.2 mm。大部分降雨發生在果實膨大期,分別占到全年總降雨量的59.8%(2018年)、48.3%(2019年)。該區海拔1 100~1 200 m,地貌以丘陵溝壑為主,土壤類型主要為沙壤土,0~1 m土層平均土壤容重為1.41 g·cm-3,平均田間持水量為0.30 cm3·cm-3,平均pH值為8.5,塬面平均地下水埋深在50 m以下,是典型旱作中、晚熟蘋果適生區。園區內果樹生長健壯,無病蟲害,果樹生長管理狀況在該區域具有代表性。
選取8 a生蘋果‘密脆’(MalusdomesticaBorkh. cv. Honeycrisp)為試驗材料,株行距為3.5 m×2 m(種植密度1 429株·hm-2),東西向種植。樹干直徑9.5~10.6 cm,樹高2.7~3.0 m,樹體長勢均一,個體差異小。根據‘蜜脆’蘋果的物候期規律,將整個生育期分為4個階段:萌芽開花期(I期,4月上旬—5月中旬),葉片生長期(II期,5月下旬—6月中旬),果實膨大期(III期,6月下旬—8月下旬),果實成熟期(IV期,9月上旬—9月下旬)。
試驗采用正交試驗設計,設置2個因素,分別是覆蓋與灌水。共有3個覆蓋處理:園藝地布覆蓋、秸稈覆蓋、裸地清耕。地布覆蓋(FM):免耕,沿樹行向兩側挖10 cm深、1.2 m寬的溝,溝土堆于溝兩側,并修成深寬比為1∶12的斜面。溝兩側斜坡各覆蓋1 m寬園藝地布,溝底20 cm不覆地布,覆上果園修剪時遺留的枝條、落葉,以利于集雨,地布兩側用土壓實(圖1a,圖1b)。秸稈覆蓋(SM):免耕,覆蓋秸稈前先平整地面,保證地面水平無斜坡。秸稈覆蓋層共分為上、下兩層,下層覆蓋7 cm厚粉碎過的秸稈節段,上層覆蓋約3 cm厚的完整秸稈,保證覆蓋層總厚度約為10 cm,秸稈取自果園附近玉米地。秸稈覆蓋層之上加蓋尼龍網以穩固秸稈層(圖1c,圖1d)。穩固層秸稈在覆蓋之前需在陽光下暴曬3 d以殺死秸稈中的害蟲及病菌,秸稈覆蓋區域為樹行左右兩側各1.2 m寬區域,10月份補施秸稈。裸地清耕(TL):清耕,地表裸露。共設有3個灌水梯度,充分灌溉(W1):85%θf(θf為田間持水量)、輕度虧缺灌溉(W2):75%W1、重度虧缺灌溉(W3):50%W1。采用滴灌方式灌水,滴灌管(φ16 mm)沿種植行左右兩側布置(圖1),兩側滴灌管平行于樹行布置且距離樹行0.6 m,其中FM處理與SM處理的滴灌管放置于覆蓋層之下;滴頭流量3 L·h-1,滴頭間距30 cm,每個灌水小區采用獨立水表和閘閥控制灌水。以當地傳統雨養蘋果樹作為對照(CK),因此有TLW1, TLW2,TLW3, FMW1, FMW2, FMW3, SMW1, SMW2, SMW3, CK共10個處理,每個處理有3~5棵蘋果樹,重復3次,且在每個獨立小區周圍設置保護樹。于10月初(采摘后)以700 kg·hm-2P2O5、570 kg·hm-2K2O和430 kg·hm-2尿素作為基肥進行施用,第2年6月中旬再追施430 kg·hm-2K2O和 300 kg·hm-2尿素。各小區除試驗處理措施外其他農藝管理措施一致。
試驗地建有全自動氣象站,可監測降雨、氣溫、大氣壓強、相對濕度、太陽輻射、風速與風向等氣象指標,單次降雨量大于5 mm的降雨被視為有效降雨。
新梢長度從其長度10 cm左右開始測量,在蘋果樹東、南、西、北各個方位各選取2個新梢,共8個新梢,每隔7 d使用軟皮尺和游標卡尺測量新梢長度、新梢直徑,直至新梢停止生長。采用冠層分析系統(Sunscan)從葉片生長期開始,每隔7 d測定葉面積指數(LAI),直至生育期結束。
在TLW1, TLW3, FMW1, FMW3, SMW1, SMW3與CK處理中各選取一株具有代表性的試驗樹,用直角地溫計分別測定5、10、15、20、25 cm 5個土層的土壤溫度,每7 d定時(8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00、20∶00)測定1次。

表1 蘋果生育期有效降雨
采用TRIME-T3管式TDR系統(德國IMKO公司)每隔10 d左右測定土壤水分,距樹行40、80 cm埋設Trime管(圖1),每隔20 cm測定土壤含水率,直至土深100 cm為止。以裸地清耕充分灌溉處理(TLW1)土壤含水量是否低于70%θf為依據,判斷是否灌水,若低于70%θf則進行灌水。灌水量計算公式為:
W=1000P×H×(θmax-θTLW1)
(1)
式中,W為灌水量(mm);P為計劃濕潤比,取0.3;H為計劃濕潤層深度(m),取0.8 m;θmax為灌水上限(v/v,%),即85%θf;θTLW1為TLW1處理灌水前土壤含水率(v/v,%)。
2018、2019年分別灌水7、6次,均發生在前3個生育期,W1、W2、W3總灌水量分別為122.6、92.0、61.3,123.5、92.6、61.8 mm(圖2)。

1.輸水管 Water delivery pipe;2.滴灌管 Drip irrigation pipe;3.Trime管 Trime tube;4.園藝地布 Horticultural fabric;5.尼龍網 Nylon net;6.玉米秸稈 Corn straw;7.蘋果樹 Apple tree;8.土壤 Soil;9.完整秸稈 Complete straw;10.秸稈節段 Straw section圖1 地布覆蓋與秸稈覆蓋布置示意圖Fig.1 Layout plan of FM and SM treatments

圖2 蘋果生育期有效降雨量、灌水量和氣溫Fig.2 Effective precipitation, irrigation and air temperature during apple growth seasons
2018、2019年采摘時間分別為9月17日、9月21日,蘋果采摘時對產量進行測定。
作物耗水量計算公式為:
ET=ΔW+I+P+G-D-R
(2)
式中,ET為作物耗水量(mm);ΔW為生育期初土壤儲水量減去生育期末土壤儲水量(mm);I為灌水量(mm);P為有效降雨量(mm);G為地下水補給量(mm);D為深層滲漏量(mm);R為地表徑流(mm)。試驗地地下水位在50 m以下,深層滲漏量與地表徑流較小,故不考慮地下水補給、深層滲漏與地表徑流。故公式簡化為:
ET=ΔW+I+P
(3)
水分有效利用率(WUE)計算公式為:
WUE=Y/ET
(4)
式中,Y為作物產量(t·hm2)。
使用SPSS 25.0統計軟件對試驗數據進行方差分析,使用最小顯著性差異法(LSD)在P<0.05的顯著性水平上進行多重比較,使用Origin 2018軟件作圖。
表3為2018—2019年不同覆蓋及虧缺灌溉處理下的新梢長度、新梢莖粗、LAI。由于凍害的影響,2018年新梢長度、莖粗、LAI平均值分別只有2019年的80%、87%、85%。2 a間覆蓋極顯著地(P<0.01)增加了新梢長度與莖粗。2018年FM與SM 的新梢長度分別較TL增加14.22%、18.67%,2019年則分別增加10.16%、16.84%。2018年FM與SM新梢莖粗分別較TL增加19.43%、23.22%,2019年則分別增加14.98%、19.43%。

表2 2018—2019年充分灌溉(W1)灌水量

表3 覆蓋及虧缺灌溉對蘋果新梢、LAI的影響
不同的水分虧缺并未對新梢長度產生顯著性影響。TL處理下新梢莖粗隨著灌水量的減少而減少, 且2019年,TLW1顯著高于TLW3,但TLW1與TLW2差異不顯著。覆蓋處理下新梢莖粗隨著灌水量的減少而減少,但差異均不顯著。不同的水分虧缺處理未對LAI產生顯著性影響,覆蓋處理下LAI較TL有所增加,但未產生顯著性的差異。CK處理下新梢長度、新梢莖粗及LAI均處在最低的水平。因此,覆蓋能提高蘋果樹樹體生長量、增強蘋果樹的長勢,且秸稈覆蓋優于地布覆蓋;灌水對樹體長勢的提升主要體現在新梢莖粗上,對新梢長度沒有影響。覆蓋和灌水以及兩者的交互作用均對LAI影響不顯著。
圖3為2018、2019年蘋果生育期不同處理下土壤溫度的變化情況。在這2年中,盡管土壤溫度變化有著一定的波動,但總體上2 a的土壤溫度變化均呈現出先增加后減少的變化趨勢。不同灌水梯度下土壤溫度并未產生顯著性差異。不同的覆蓋處理對土壤溫度變化產生的影響不同。FM與TL和CK的土壤溫度無顯著差異。SM土壤溫度在整個生育期中均顯著低于其他處理,2018、2019年SM土壤溫度較同時期TL土壤溫度分別低0.77℃~4.49℃、1.71℃~6.30℃,且隨著生育期進程差異逐漸減小。表4是2018—2019年蘋果各生育期的土壤溫度日變化變異系數。由表4可知,2018年在I期、II期、IV期土壤溫度日變化變異系數較高,而2019年土壤溫度僅在I期有著較高的日變化變異系數,這可能與2018年氣溫的不穩定有關。在2 a的各個生育期中,SM均顯著降低了土壤溫度日變化變異系數,這說明秸稈覆蓋可以有效緩沖與調控土壤溫度變化。這從降雨氣溫下降后土壤溫度的變化中也能得到體現,在4次降雨(2018年6月18日,2019年4月27日、7月10日、8月24日)后的土壤溫度監測中,各處理土壤溫度均有較大幅度的下降,而SM土壤溫度的變化則相對緩和。
表5為2018—2019年不同覆蓋及水分虧缺處理下各生育期的蘋果耗水量。2 a間蘋果耗水量差異較小,2018年和2019年蘋果耗水量分別在475.44~580.24 mm、450.20~592.42 mm。蘋果各生育期耗水量依次為:III期>I期>II期>IV期,I期耗水量占生育期總耗水量的24%~28%,II期耗水量約占17%~20%,IV期耗水量約期占8%~11%,而III期耗水量占全生育期的44%~47%,遠高于其他3個時期,這可能是由于這一時期蘋果進入生長旺盛期,加之氣溫較高,太陽輻射強,蘋果園蒸發蒸騰作用較強。前3個生育期虧缺灌溉對蘋果耗水量產生了極顯著影響(P<0.01),但在IV期并未產生顯著差異。而覆蓋對后2個生育期蘋果耗水量產生了顯著影響(P<0.05)。值得注意的是,相同的水分虧缺下,III期SM耗水量不僅顯著低于TL,也顯著低于FM。

圖3 2018—2019年蘋果生育期土壤溫度變化Fig.3 Variation of soil temperature during the growth season of apple in 2018 and 2019

表4 2018—2019年土壤溫度日變化變異系數/%

表5 蘋果生育期耗水量
不同水分虧缺處理下蘋果生育期總耗水量差異顯著,隨著虧缺程度的加重,蘋果總耗水量逐漸降低,且灌溉條件下蘋果總耗水量相對于CK顯著增加。2 a中,W2、W3分別較W1平均節水5.6%、10.7%。同一灌水梯度下,TL在各個生育期耗水量普遍大于FM與SM,2018年TL總耗水量較FM、SM生育期分別高29.81、27.63 mm,2019年則分別高23.41、36.80 mm。
圖4是2018—2019年不同覆蓋及虧缺灌溉處理下的蘋果產量及WUE。2018年春季發生的凍害嚴重影響到蘋果產量,2018年蘋果平均產量僅為2019年的49.9%。2 a中覆蓋均顯著提升了蘋果產量,2018年FM及SM平均產量分別為20.8、21.5 t·hm-2,均顯著高于TL(16.9 t·hm-2)與CK(14.2 t·hm-2);2019年也出現了相同的規律,FM、SM平均產量為42.6 t·hm-2,42.7 t·hm-2,顯著高于TL(34.0 t·hm-2)與CK(28.3 t·hm-2)。總的來看,FM與SM在2年中產量較TL提高了24.8%、25.9%。但在FM與SM處理下,不同的水分虧缺并未對產量產生顯著影響。僅就虧缺灌溉對產量的影響來看,2018、2019年TL處理平均產量較CK增加14.2%與20.0%。2018年TL不同水分處理間并未出現顯著性差異,2019年TLW1產量顯著高于TLW3,但與TLW2之間未出現顯著性差異。各處理中,SMW1(21.88 t·hm-2)和FMW1(44.37 t·hm-2)的產量分別在2018年和2019年最高,CK的產量在2018年(14.21 t·hm-2)與2019年(28.31 t·hm-2)均最低。
無論是受到凍害的年份,還是正常年份,覆蓋均顯著提升了蘋果WUE。2018年FM、SM、TL處理WUE分別在3.74~3.99、3.84~4.22、3.03~3.10 kg·m-3,2019年則分別在7.56~7.95、7.49~8.10、5.89~6.26 kg·m-3。在覆蓋處理下,重度虧缺處理有著最高的WUE。TL處理在2018年重度虧缺也有著最高的WUE,而在2019年中度虧缺有著最高的WUE,CK處理WUE在這2年中均處于最低的水平。

圖4 2018—2019年蘋果產量及水分利用效率(WUE)Fig.4 Apple yield and WUE in 2018 and 2019
本研究發現,覆蓋處理可以有效提升蘋果樹的長勢,顯著增加新梢長度及新梢莖粗,在秸稈覆蓋下效果更為顯著。這與之前的研究結果相似:覆蓋能有效增加樹體生長量,其中有機覆蓋增加效果更為明顯[12-23]。El Jaouhari等[24]在研究中發現虧缺灌溉對新梢長度沒有影響,但會顯著影響到新梢莖粗,且隨著虧缺的加重,莖粗逐漸降低。本研究中,2 a的虧缺灌溉并未影響到新梢長度,新梢莖粗隨著虧缺程度的加重而降低,TL處理下更為明顯,但僅2019年達到顯著的差異,TLW1顯著高于TLW3,這可能是2018年的凍害和覆蓋下較高的土壤蓄水量抵消了部分灌水的效果。
土壤溫度是影響作物生長發育的重要因子,其變化是隨太陽輻射和大氣溫度變化吸收和釋放能量的過程[25]。在我們的研究中,SM處理顯著降低了土壤溫度,且隨著生育期的推進差異逐漸減小,這與贠學鋒等[26]的研究結果一致。這可能是因為在土壤溫度上升的生育期前期,SM有效延緩了土壤溫度的增加,因此與其他處理間的差異較大,而在土壤溫度下降的生育后期,SM又能延緩土壤溫度的下降,因此減少了與其他處理間的差異。另一方面,秸稈會分解成殘渣與有機質而消減覆蓋效果。此外,隨著生育期推進,冠層的增加和裸土面積減少也會降低覆蓋效果[27]。地溫的升高往往會導致作物物候期的提前,而地溫的降低也常會導致作物物候期的延后[26,28]。蘋果花的抗凍性更多取決于環境因素而非基因型,其抗凍性在紅芽期最高,隨著花期的進行逐漸降低[29],因此晚花型的蘋果樹受凍害的影響較小。秸稈覆蓋在早春升溫時能有效降低地溫,有利于降低蘋果花期凍害帶來的影響。但也有研究認為秸稈等有機覆蓋會抑制早春地溫的上升,不利于根系生長發育,影響作物生長[30]。秸稈在土壤表面形成溫度隔離層,可以有效緩沖和調控土壤溫度的變化,降低土壤溫度波動,有利于根系生長及養分的吸收供給[23],這在生育期的變化與日變化中均有所體現。馮浩等[31]在研究中發現,土壤水分變化會對土壤熱力學特性產生影響,引起土壤溫度降低。本研究中,降雨后土壤溫度均發生了降低,SM顯著地減弱了雨后土壤溫度的變化幅度。
蘋果樹的蒸騰強烈,耗水量高于普通農作物,在水資源短缺的干旱與半干旱區,盡可能滿足蘋果樹的需水要求是保證該區蘋果產業可持續發展的關鍵。土壤水分被認為是影響植物生長發育的最重要因素之一,即使土壤蓄水量發生很小的變化,也會極大影響作物的生產能力[32]。降雨與灌水是補充果園水分的兩條主要途徑,因此探尋降雨、灌水及蘋果樹耗水規律具有重要的意義。由圖2可知,灌水事件主要發生在生育期前期,而降雨事件主要發生在生育期后期,這體現了降雨和灌水在補充和保持土壤水分上的時間互補性。在前3個生育期,虧缺灌溉對蘋果耗水量產生了極顯著影響(P<0.01),而在后2個生育期,覆蓋對蘋果耗水量產生了顯著影響(P<0.05)。這是由于灌溉發生在前3個生育期,而生育期后期氣溫高,太陽輻射強導致土壤蒸發強烈,而覆蓋在土壤表面阻止了土壤-大氣界面的水汽交換,因此有效降低了水分蒸發,使土壤蓄水量保持在一個較高的水平。粟曉玲等[33]在石羊河流域下游蘋果園中對滴灌條件下果園耗水規律進行研究,結果表明全生育期耗水量變化呈單峰型,6月中旬—7月上旬土壤耗水強度最大;鐘韻等[17]研究了蘋果的耗水規律,結果表明各生育階段耗水量依次為III期>II期>I期>IV期,III期耗水量最大,占到整個生育期的59%~71%。本研究發現,蘋果各生育期耗水量依次為:III期>I期>II期>IV期,其中III期耗水量最大,占到全生育期耗水量的44%~47%,這與鐘韻的結論總體上相似,而形成部分差異的原因可能是由于品種和生育期劃分的不同。在III期,相同的水分虧缺下SM耗水量不僅顯著低于TL,也顯著低于FM,這可能與秸稈不僅能降低蒸發,還可以吸收降雨增加降雨入滲有關。秸稈作為有機覆蓋物,其本身可以在土壤表面形成集雨吸收層和地面障礙物。因此,秸稈覆蓋不僅可以吸收部分降雨,而且可以有效地延緩和防止地表積水和徑流的形成[11,34]。在生育期后期高頻、大量的降雨事件中,FM處理中部分降雨將形成地表積水和徑流,而秸稈的吸收能力為水分入滲提供了額外途徑[35]。秸稈中的這種滯留水在幾天內逐漸釋放,增加了降雨入滲[11]。在我們的研究中,覆蓋減少耗水量,增加了土壤貯水量,這與高茂盛等[36]在渭北旱作蘋果園中的研究結果一致。鄭悅等[37]研究了覆蓋處理下渭北旱地矮化蘋果的耗水規律,發現覆蓋減少無效蒸發15.16~26.93 mm,但與本研究結果不同的是其耗水量較清耕增加12.27~25.61 mm,這可能是品種及試驗環境產生的差異。
2018年春季發生的凍害不僅影響到作物長勢,也極大地降低了蘋果產量與WUE。本研究表明,無論是發生凍害的年份還是正常的年份,覆蓋均顯著提高了作物產量。這與贠學鋒等[26]覆蓋處理提升了產量的研究結果一致,這可能是因為覆蓋改善了土壤微環境,有利于根系吸收水分、養分,提升作物長勢,增加作物產量。Wang等[38]的研究也出現了類似的結果,該研究同時提出由于產量提升,耗水量下降,WUE也得到了大幅提高。由于受凍害的影響,2018年不同的水分虧缺處理對蘋果產量未產生顯著性影響。2019年在TL處理下,TLW1產量顯著高于TLW3,而TLW2在降低25%灌水量的情況下產量沒有顯著的下降,這與Zhou等[39]的研究結果一致,這說明蘋果對水分虧缺具有一定的適應性,適度的水分虧缺不一定會降低蘋果產量[16,24]。但在覆蓋下水分虧缺對產量未產生顯著性的影響,這可能是因為覆蓋減少了地表裸露與土壤擾動,減少了土壤蒸發,土壤含水率保持在較高的水平,降低了灌水需要,因此與裸地清耕保持相同灌水量的虧缺灌溉并未對產量產生顯著影響。
1)覆蓋可以有效提高蘋果樹體生長量,增強樹勢,且秸稈覆蓋優于地布覆蓋。虧缺灌溉對新梢長度未產生顯著影響,但提高了新梢莖粗。
2)2018—2019年,SM在整個生育期較TL降低土壤溫度0.77℃~6.30℃,且隨著生育期的推進,其降低的幅度減小。在每個生育期,SM均有效降低了土壤溫度日變化變異系數,有效穩定地溫,FM沒有對土壤溫度產生顯著性影響。
3)蘋果樹各生育期耗水量依次為:III期>I期>II期>IV期,其中III期耗水量占全生育期的44%~47%,遠高于其他時期。W2、W3分別較W1平均節水5.6%、10.7%,覆蓋下蘋果耗水量較TL減少23.41~36.80 mm。
4)FM與SM均顯著增加了蘋果產量與WUE,且兩者之間無顯著差異。在TL處理下,隨著水分虧缺加重,蘋果產量逐漸降低,且在2019年,TLW1產量顯著高于TLW3,但在覆蓋下虧缺灌溉對蘋果產量并未產生顯著性影響。